10kV开关柜常见故障、分析及对策

10kV开关柜常见故障、分析及对策摘要：目前10KV开关柜应用技术日趋成熟，但是在开关柜的设计制造、安装工艺、运行年限等方面仍然存在一些问题，是开关柜故障和电网安全运行的重要隐患。针对10KV开关柜故障引起的配网运行事故，本文主要介绍10kV开关柜常见故障，并对其进行分析及给出对策，以求提高10KV配网安全运行水平。关键词：开关柜隔离开关断路器、ZS1、AMS铠装式金属封闭开关设备(以下简称ZS1、AMS)穿墙套管1引言近年来，由于10KV开关柜的应用越来越多，由于开关柜是一种综合性的成套设备，其中的各个环节都可能引起缺陷和故障，开关柜故障已成为影响配网安全可靠运行的最主要因素。本文主要从韶关局10KV开关柜常见故障类型入手进行深入分析研究，找出故障原因，并提出减少10KV开关柜故障的策略。对提高配网安全、稳定运行有着重要的意义。210kV开关柜常见故障10KV开关柜通常分为半封闭式和金属封闭式（HXGN、GAE、AMS、SBC、ZS1）等。也可按断路器型号分为真空开关柜、少油开关柜、SF6开关柜等。如今开关柜的概念完整地说已演变成由高压断路器、负荷开关、接触器、高压熔断器、隔离开关、接地开关、互感器、所用变以及控制、测量、保护、调节装置、内部连接件、附件、外壳和支持件等组成的成套设备。由于开关柜设计制造、安装工艺等方面存在的问题造成事故：部分开关柜相间距离不够，支持瓷瓶对地爬距不够，隔板绝缘材质差、柜内电缆头制作工艺差等，若系统运行年限过长或者系统出现过电压时就产生单相接地，甚至造成相间短路。2.1电气连接点的发热电气连接点的发热问题，最突出表现在配变进线柜和母联等一些大电流开关柜上。这几年负荷剧增，使一些电气连接不良的环节出现由于发热而引起温度过高，个别的恶性循环进而造成绝缘损坏，最后放电短路将开关柜烧毁，甚至造成母线故障。发热的地方主要有三个环节。2.1.1隔离开关的发热隔离开关一般安装在固定柜中。隔离开关要保证接触良好，关键在于要保证合理的接触面积和接触压力，但往往由于隔离开关本身质量、开关柜体的装配精度存在问题和现场的调整试验疏忽而不能有效地保证。由于有的中压厂生产的柜子如HXGN（ZF）开关柜柜体内机械加工精度不够，隔离开关动静触头有些偏位，合闸时造成单面接触。再加上10KV开关柜隔离开关原理是利用锁紧机构动作使滑块带动连杠运动，从而使两侧顶杠推出并利用刀片两面的磁锁板的杆杠作用将顶杠的推力放大而压紧在刀片上以保证接触压力。但因为运行中的单面接触造成两刀片之间的小连杆通过电流，这部分在设计中考虑不周，通电流的结构就开始发热，随着发热的加剧，连杆变形而使顶杆的推力减少，进一步使接触压力减少。主触头单面接触部分由于接触压力减小也发热。不断恶性循环最终是连杆熔断，触头放电拉弧，形成相间短路。另外生产厂对柜内铝(铜)排制作粗糙，也易造成隔离开关发热。2.1.2断路器的发热对于金属封闭的铠装柜来说，断路器小车的触臂上的触头和断路器的灭弧室上下部接线座是容易引起发热的部位。对断路器小车触头来说，由于是可分接触，一般采用弹簧压紧的线接触的形式。触头的质量是非常关键的。如果触指组叠不平整不严密，触指的强度不够，则触头就不能很好地接触，往往因为其中一两个触指突出而使大部分触指和静触头接触不好而发热;发热进一步使弹簧针特性变坏。另一方面，有些型号的开关柜的断路器小车触头臂过长，振动和撞击也会使触头偏离正常位置。再者，断路器手车高而前后轮距小，推入柜内时阻力又较大，会造成手车后仰，从而使手车下端已插入并锁定的同时，上端插入不够而且动静触头不再同一水平面上。真空断路器连线座的发热，无论在半封闭的柜还是金属封闭柜都是存在的，大电流断路器的连线座都做成散热片的形式以增加散热面积，但接线座与真空灭弧的压紧螺钉拧得不到位，也会增大接触电阻。2.1.3其它电气连接部分的发热这方面的内容牵涉到一些装配工艺，如铝(铜)排的截面不够大，铜铝连接的地方有没有经过处理，穿柜套管是用螺杆式的还是平板式、电缆头制作粗糙等。举例来说，双拼铝(铜)排的连接，在有些不能交叉连接情况时，不能简单地重叠连接，而要加一个短路环以增大接触面积。还有就是感应发热问题;在大电流开关柜内就存在这个问题。金属封闭柜内主变进线和母线都从穿柜套管穿过各金属隔板，当电流很大时涡流磁滞损耗引起的发热也将非常严重;因此大电流的隔板最好采用不锈钢材料，或在钢板上割缝以断开磁路。要及时地发现开关柜内的发热缺陷，用大电流法测直流电阻是比较有效的，但实际可操作性不强。现在最有效的方法是结合预防试验检修进行，在运行中可采用带电局放测试红外测温仪进行测温比较，保留测试数据，累年对比。2.2短路容量的配置1993年能源部和建设部颁发的“城市电力网规划设计导则”规定10kV电压等级的母线短路容量一般为16kA。在电网建设改造的过程中有些变电所的10kV母线短路容量已接近甚至超过16kA。一般来说开关柜内断路器的短路开断电流为25kA或31.5kA，足够承受短路电流。但开关柜内其它设备如穿墙套管在承受短路电流问题上相对比较突出。主要是套管质量不好，承受不了短路时的电动力。可见穿墙套管的质量严重影响开关柜的短路承受能力。因此，在开关柜选型定货时，对隔离开关、穿墙套管、电流互感器等设备的动稳定电流、热稳定电流都要提出具体要求。另一方面，若开关柜本身存在电气连接薄弱的环节，特别是母排连接点和电缆头连接点，当短路电流流过时，这些地方就急剧发热引发电弧而导致柜内短路故障。2.310kV母线电压互感器柜10kV电磁式电压互感器铁磁谐振而引起烧毁的故障在系统里屡见不鲜。若10kV系统是中性点绝缘系统，正常情况下三相互感器对地的励磁电感是相等的，各相导线或空母线对地电容也是相等的，三相负载是平衡的，10kV中性点电位为零。但当线路上负荷分布有问题或发生单相接地故障时，非故障相对地电压升高，使非故障相电压互感器的励磁电流突然增大而发生饱和，励磁电感相应减少，三相对地负载不平衡使中性点出现位移电压，如果参数配合不当，中性点位移电压急剧上升，形成基波谐振。这几年来由于10kV系统的扩大，特别是电缆的大量使用，使各相导线对地电容增加很大，回路的自振频率降低，造成分次谐波谐振。由于电压互感器故障极易引起母线故障，所以可采用四只电压互感器的接线方式，即三相电压互感器的一次中性点再接一只中性点电压互感器(零序电压互感器)。接地信号继电器接在零序电压互感器二次绕组上，而将三相电压互感器的开口三角绕组短接接地。这种接法主要是把该短接后的绕组作为一个阻尼绕组，抑制磁通的变化从而降低电压互感器铁芯饱和程度，减少励磁电流。这种接法在固定式和小车式开关柜中都能实现。小车柜因空间尺寸有限，要保持10kV电气距离125mm比较困难，可采用导体外加热缩套管。采用这种接法后，10kV开关柜的电压互感器故障大幅度降低，取得了良好的效果。2.4真空开关的问题现在的10kV开关柜绝大部分采用真空开关;老配电站也逐步开展无油化改造，将少油开关更换为真空开关。真空开关的主要问题集中在真空灭弧室外。在真空开关爆炸事故中，真空灭弧室击穿，主要有两方面的因素。首先是真空泡本身的质量问题：真空开关的灭弧和绝缘是靠真空泡的真空度来保证的，真空泡的真空度一般在10-4-10-7Torr之间，在这样的真空条件下间隙的绝缘强度很高，所以真空开关的触头开距只有数毫米到十几毫米;如果真空泡在出厂时真空度不高，只在允许的下限范围;结构上工艺又有缺陷，如在动触头波纹管部位存在微量漏气;材质上气体杂质含量高，运行中缓慢析出，则综合这些原因，就会使真空泡在运行一定时间后压力上升，导致在运行的热备用情况下或在检修耐压试验时击穿，最恶劣的是在真空开关开断较大短路电流时真空灭弧室不能有效灭弧而发生爆炸。另一种情况是真空开关的装配工艺问题：有些真空开关在验收试验时发现真空泡击穿，究竟原因是开关厂在装配时连接上接线座和真空泡的螺栓太长，将真空泡顶破;另外还发生过真空开关机构和本体间的绝缘拉杆的固定用的弹簧挡圈断裂，分闸状态下大气压力将动触头顶入，造成击穿。2.5其他问题(1)防过电压措施不力造成事故：电力系统内由于各种原因，无论是雷电过电压还是内部过电压，都是客观存在的，问题是要有完善有效的防止措施。一些地方长期运行电压过高、调压困难，也是造成事故的一个重要原因。(2)运行环境恶劣，封堵不严，小动物引起放电，以及用户设备等外部原因造成的事故：部分配电站、开关站运行条件较差，污秽较严重，漏水，通风不好，夏季室温高等，遇有空气比较潮湿的天气，容易发生闪络事故。有的配电站10kV配电站由于封堵不完善，老鼠进入柜内造成短路故障。(3)由于直流电源运行不正常或发生故障，是造成不少事故扩大的重要原因：不少事故在发生或发展过程中往往由于高电压波及直流系统，造成电池短路或损坏其它元件等情况，致使直流电压偏低开关不能及时跳开而造成连锁反应，甚至危及整个配电站。(4)管理方面的不善，也是导致事故发生和扩大的不可忽视的重要原因：有的单位执行检修规程不严格，工艺马虎，不做最低动作电压试验，对存在缺陷的开关机构，有的单位不按要求周期进行预防性试验。待缺陷运行的开关柜遇有故障时，开关往往有不能跳闸的风险。还有的运行维护人员缺乏经验，素质较差，遇到事故不能采取果断正确的处理措施，以致延误时机，扩大事故。还有对于蓄电池组和直流系统的维护管理马虎，致使蓄电池容量不足，电压偏低，寿命太短等都是一些事故扩大的原因。3对10kV开关柜常见故障的对策针对上述种种原因，应从技术和管理上采取综合性的反事故措施，才能有效地预防10kV系统开关柜烧毁事故的频频发生。抓紧对老旧开关的改造和缺陷的消除。采用技术先进、安全可靠的开关柜厂家制造的开关柜。如广东阿尔派电力科技股份有限公司生产的中压开关设备（SBC-12/CCCFFF）。选择开关柜应该从技术先进、性能稳定、结构合理、使用方便、安全可靠等方面出发。为今后达到“无油化”的要求，可以考虑逐步更换为真空断路器或SF6断路器。厦门ABB开关有限公司提供的VD4型真空断路器和厦门华电开关有限公司提供的VEP型真空断路器是以空气绝缘的户内式开关设备元件，断路器符合GB1984、DL403、德国DINVDE0670与IEC56级694等标准的规定。无论是在正常使用条件还是在故障条件(特别是短路情况下)，只要在断路器的技术参数范围内，它就可以保证安全，可靠地运行于相应电压等级的电网中。其真空断路器可在工作电流范围内进行频繁的操作或多次开断短路电流，适用于重合闸操作并有极高的操作可靠性与使用寿命。其安装形式灵活既可以是固定式，也可以是抽出式，还可安装于框架上使用。厦门ABB开关有限公司提供的HD4和厦门华电开关有限公司生产FP中压断路器是利用六氟化流(SF6)气体作为灭弧和绝缘介质，且它在灭弧过程不会引起截流或操作过电压。SF6的特性确保了断路器的电气寿命长，且在安装时对设备的冲击，介电水平和热应力均不会有影响。断路器的极柱，即灭弧室部分，是终身免维护的封闭系统。其寿命符合IEC62271-100和CEI17-1标准。由于采用SF6热膨胀+压气助吹灭弧技术，HD4、FP断路器不会产生操作过电压，因而它非常适合于那些对绝缘材料的介电强度水要求特别敏感的场合，特别适合对电机、电缆等旧设备的改型、升级和扩容的应用中。HD4断路器适用于ZS3.2开关柜，FP断路器适用于AMS40.5开关柜。可使用于配电线路、变电所、配电站、电动机、变压器和电容器组的控制和保护。采取有效的防过电压措施。对于10kV系统应防止雷电过电压。以往的10kV系统大多采用碳化硅阀式避雷器，发生爆炸的较多。近几年采用了部分带间隙的氧化锌避雷器MOA，取得了较好的运行效果。随着MOA制造质量的提高，有助于抑制内部过电压的作用，10kV系统内使用无间隙氧化锌避雷器是今后发展的趋势。对于经常处于热备用状态的10kV、35kV分段断路器，也应加装氧化锌避雷器保护。对于长期运行电压过高的地方一定要设法采取各种调压措施，把过高的运行电压降下来，对于系统